Jak malý MCU s vybranými analogovými prvky šetří při napájení z baterií náklady i místo

Vývoj aplikací typu zabezpečovacích systémů a bezdrátových monitorovacích zařízení v medicíně závisí na několika faktorech zajišťujících zdařilý výsledek. Když ale přijde řeč na propojené a bateriově napájené systémy, dostává se do popředí právě složitost řešení, včetně jeho účinnosti. Důvod je prostý – čím delší výdrž baterie požadujeme, tím nižší musí být i průměrná výkonová spotřeba. Aby zde vývojáři lépe vyhověli požadavkům kladeným na napájení a zajistili přitom i dlouhodobě spolehlivou činnost, měli by v prvé řadě přemýšlet o malých a efektivně pracujících mikrokontrolérech (MCU) s vlastními funkcemi či prvky, které budou chytré a sofistikované. Takové MCU pak zvládnou většinu úkolů vyžadovaných ze strany aplikace, v návrhu snímače snižují zastoupení vnějších pasivních součástek a pro účely mimořádné flexibility či jednoduchosti zajistí též integrované součásti, včetně nízké spotřeby energie.

Když v aplikacích, jako je domácí zabezpečovací systém, kupříkladu navrhujeme senzor napájený z baterií, budeme uvnitř nebo i vně obydlí často pracovat s pasivním infračerveným detektorem pohybu PIR (Passive InfraRed). Senzor PIR zaznamenává změny v množství infračerveného vyzařování „viděného“ prvky snímače, které se mění v závislosti na teplotě a vnějších charakteristikách předmětu v zorném poli čidla. Když osoba projde mezi senzorem a jeho pozadím, čidlo detekuje změnu z teploty okolí na tělesnou teplotu a zase nazpátek. Výsledný rozdíl, pokud jde o vstupující infračervené vyzařování, poté převádí na změnu výstupního napětí (VPIR(t)). Další objekty se stejnou teplotou, jakou má pozadí, ale odlišnými povrchovými charakteristikami, rovněž způsobují, že senzor bude detekovat obrazy zohledňující různé emise, jak také plyne z obr. 1.

Obr. 1 K principu činnosti snímače PIR pro detekci pohybu

Úrovně výstupního signálu snímače PIR bývají zpravidla velmi nízké a menší než 1 mV. Za účelem zaznamenání pohybu bez rizika falešných poplachů je proto zapotřebí analogový signál před jeho navzorkováním v analogově-číslicovém převodníku (ADC) zesílit. V klasickém řešení s čidly PIR toho dosahujeme na základě několika stupňů s operačními zesilovači (Op Amp) a jejich vysokým ziskem, které ovšem zvyšují složitost návrhu, počet součástek, spotřebu energie, cenu atd. Čtěte dál a dozvíte se, jak můžete s malými a efektivně pracujícími MCU takové vlivy zmírnit.

Návrh a jeho složitost

Pokud návrh senzoru PIR založíme na maličkém MCU s odpovídající výbavou, jako je 12bitový rozdílový ADC se zesilovačem PGA s nastavitelným ziskem, omezíme tím i potřebu vnějších součástek, dalšího místa na desce nebo souvisejících nákladů (BoM). Vezměme si třeba PIR Click senzor od MikroE. Jedná se o desku plošného spoje se všemi pasivními součástkami potřebnými ke stavbě funkčního snímače PIR. Deska Click se odvíjí od řešení s operačními zesilovači, včetně ADC, rezistorů a kondenzátorů. Za účelem jednoduché výroby prototypu a dalšího zhodnocení vlastností byla vyrobena tak, aby pracovala hned po rozbalení. V typické sestavě pro snadné prototypování lze pak desku PIR Click použít ve spojení s Curiosity Nano Base for Click boards™ [1] a Curiosity Nano Evaluation Kit [2] od společnosti Microchip. Návrh snímače PIR může těžit i z MCU, jako je ATtiny1627 [3] od Microchip Technology zahrnující 12bitový rozdílový ADC a PGA. Počet externích součástek lze totiž výrazně omezit při vyloučení vnějšího operačního zesilovače pro zpracování signálu. Když pak uvážíme i jinak externí ADC, dokážeme se rovněž zbavit některých dalších pasivních součástek, rezistorů a kondenzátorů.

Pokud tedy sáhneme po takovém MCU, lze rozvržení desky PIR Click podstatně zjednodušit. Obr. 2 ukazuje, které součástky je možné vyřadit (X) a jaká nová spojení bude nutné zase vyrobit (na obr. vyznačeno modře).

Obr. 2 Příklad možných úprav na desce PIR Click a také ve schématu zapojení

Poznámka: V našem příkladu jsme jako základ pro úpravy použili desku PIR Click, protože je to mnohem pohodlnější než novou desku navrhovat a pořizovat k ní příslušné součástky. Modifikované řešení rozhodně nejde proti účelu desek Click.

Pokud využijeme výhod vestavěného, 12bitového rozdílového ADC s PGA, obr. 3 nám s příslušnými úpravami rovněž ilustruje, jak málo vnějších součástek bude zapotřebí, zvolíme-li ten správný MCU.

Obr. 3 Pozměněná deska PIR Click a vzniklé schéma zapojení

S menším počtem vnějších součástek bude řešení hardwaru i desky plošného spoje kompaktnější a také „čistější“, protože zde nemusíme řešit tolik HW záležitostí spojených s rozmístěním externích prvků. Efektivnější a kompaktnější kromě toho může být i software s firmwarem, jelikož větší počet úkolů řešíme právě v rámci MCU. Lépe se také vypořádáme s časováním a synchronizací.

Jakmile velkou část „spletitosti“ při návrhu senzoru přesuneme z tradičního hardwaru do MCU a CPU (central processing unit), zatímco k řízení využijeme firmwaru, půjde během vývojové fáze mnohem pružněji měnit a také přidávat další funkce. Nemusíme již proto trávit čas přepracováním layoutu desky, což se příznivě podepisuje jak na nákladech, tak i potřebné době. Praktičtější to bude i z pohledu optimalizace kódu vynucené jinými faktory, třeba požadavky na spotřebu energie. Jednoduchá změna v nastavení parametrů umožní vývojářům upravovat kód aplikace a přidávat buď nové funkce, nebo vše optimalizovat s ohledem na snížený proudový odběr, resp. citlivost související s podmínkami okolí. Může se jednat kupříkladu o změny okolní teploty, kde třeba snímače bojují s detekcí přítomnosti člověka, překračujeli teplota prostředí +30 °C. Dalším příkladem doplňkových funkcí může být zapracování systémů strojového učení s cílem rozlišovat vzorce pohybu a učit celek odlišovat, co je pouze šum, zda se pohybuje skutečná osoba, nebo jen zvíře apod.

V případě aplikací detekujících pohyb na základě snímačů PIR budou MCU, jako je ATtiny1627, přesouvat vše složité z oblasti hardwaru do firmwaru a softwaru, protože tolik vyžadovaných funkcí již máme zapraveno přímo do mikrokontroléru. Komplikovanost systému se snižuje a flexibilita roste.

Energetická účinnost

Výkonová spotřeba bezdrátových snímačů je prostě klíčová. Čím delší je totiž výdrž baterie, tím déle funguje senzor, a tudíž i celý vzájemně propojený systém s čidly. Platí to pro všechny systémy s bezdrátovými snímači. Jestliže máme pro nejrůznější monitorovací účely nainstalovány desítky, stovky, či dokonce tisíce senzorů, bude konkrétní uzel považován za mrtvý nebo dysfunkční, jakmile se vypne. V rozsáhlejších instalacích znamená výměna baterie nebo senzoru samotného pro koncového uživatele dodatečné náklady, stejně jako když máme systém odstavený nebo není zcela funkční, protože se daný uzel vypnul. Nechtěné mimořádné události se navíc mohou vyskytnout, aniž se k nám dostane nějaké avízo. Čím déle proto baterie vydrží, tím lépe. Díky spánkovým režimům u MCU a rychlému probouzení může každý senzor spotřebovávat minimální množství energie. Čidlo dokáže spát, poté se rychle probudit, zaznamená-li pohyb v důsledku změny teploty odpovídající rozsahu snímače, zpracovat signál a následně se opět navrátit do spánkového režimu, takže každý z bateriově napájených uzlů vydrží ještě déle a bez nutnosti výměny zdroje napájení. Obr. 4 ukazuje, jak pracuje CPU, bude-li těžit z výhod spánkových módů a také rychlého probouzení. Spotřeba energie závisí na konkrétní aplikaci a bude reagovat na konfiguraci čidla PIR, dobu potřebnou k získání vzorku či parametry filtrace, což rovněž ovlivňuje rozsah detekce, příp. citlivost. Rozmyslete si příp. dostavení těchto parametrů za účelem dalšího omezení spotřeby energie v době, kdy nejsou požadavky kladené na aplikaci zase tak vysoké.

Obr. 4 Firmware a související načasování. Popis v rámečcích:
1) A/D převodník periodicky zpracovává signál pocházející ze snímače PIR
2) převodník po dokončení měření probouzí CPU
3) CPU se probouzí, porovnává měřené výsledky s prahovou hodnotou a stanovuje, zda událost z pohledu detekce pohybu nastala, či nikoli
4) MCU se vrací zpět do režimu spánku

Díky vlastní nabídce chytrých a sofistikovaných prvků nebo funkcí zlepšujících proudovou spotřebu a energetickou účinnost mohou malé a výkonné MCU, jako je ATtiny1627, prodloužit výdrž propojených a bateriově napájených aplikací, zatímco zjednodušují jejich návrh, snižují celkové náklady a také zkracují dobu potřebnou k uvedení produktu na trh. Pro více informací o návrhu nízkopříkonových a cenově vyvážených zapojení detekujících pohyb s čidly PIR navštivte webové stránky [4].